Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Lazer İnterferometre Kütleçekim Dalgası Gözlemevi (LIGO) gibi kütleçekim dalgası gözlemevleri aşırı duyarlılık egzersizleridir. LIGO'nun biri Louisiana'da, diğeri Washington eyaletinde bulunan iki deneysel kulağı, kara delikler ve nötron yıldızları gibi nesnelerin uzay-zamanda bıraktığı dalgalanmaları dinliyor. Bunu yapmak için LIGO, kilometrelerce uzunluktaki lazer ışınlarındaki küçük dalgalanmaları dikkatle izliyor. Buradaki zorluk, gürleyen traktörlerden hava durumuna ve kuantum gürültüsüne kadar her şeyin kendi bozulmalarına neden olabilmesidir. Kütleçekimsel dalga gözleminin büyük bir kısmı istenmeyen gürültüyü ayıklama bilimidir.

Şimdi, bir dizi güncellemenin ardından, LIGO'nun her iki kulağı da her zamankinden yüzde 60 daha fazla olay duyabiliyor. Bu başarının büyük bir kısmı, ışığı tam anlamıyla sıkıştırarak zar zor algılanabilen kuantum gürültüsünü düzelten bir sisteme ait.

Fizikçiler ve mühendisler on yıllardır laboratuarda ışık sıkma ile uğraşıyorlar ve çalışmaları gerçek sonuçlar veriyor. Caltech'te fizikçi olan Lee McCuller, "Bu artık bir gösteri değil," diyor. "Bunu gerçekten kullanıyoruz." McCuller ve meslektaşları çalışmalarını 30 Ekim'de Physical Review X dergisinde yayınlayacaklar.

Kütleçekim dalgaları, genel görelilik tarafından öngörüldüğü gibi yerçekiminin nasıl çalıştığına dair tuhaf bir meraktır. Düşen bir kayanın suda dalgalanmalar yaratması gibi, yeterince görkemli olaylar da -örneğin iki kara delik ya da iki nötron yıldızının birleşmesi- uzay-zaman dokusunda dalgalar yaratır. Bu kütleçekim dalgalarını dinlemek, gökbilimcilerin kara delikler ve nötron yıldızları gibi aksi takdirde net olarak görülmesi zor olan devasa nesnelere göz atmalarını sağlar. Bilim insanları bunu ancak LIGO gibi cihazlar sayesinde başarabiliyorlar.

LIGO'nun kulakları çok büyük L'ler şeklindedir ve kolları tam olarak 4 kilometre (2,49 mil) uzunluğundadır. İkiye bölünmüş bir lazer ışını, kolların her birinden aşağıya doğru ilerler. Bu ışınlar uzak uçtaki bir aynadan sekerek tepe noktasına geri dönüyor ve burada yeniden birleştirilerek tek bir ışın haline getirilebiliyor. Uzay-zamandaki küçük kaymalar (yerçekimsel dalgalar) her iki kolu da incelikle esnetip sıkıştırarak yeniden birleşen ışının ışığında desenler oluşturabilir.

Uzunluk kaymaları son derece incedir, çıplak gözle görmeyi hayal bile edemeyeceğimiz kadar hafiftir. LIGO dedektörleri depremlere, hava koşullarına ve insan faaliyetlerine açık olduğunda, bu kadar hafif bir kaymayı tespit etme görevi daha da zorlaşır; bunların hepsi aynaları sallayan veya lazer ışınlarını sarsan gürültüler yaratır.

Fizikçiler tüm bu gürültüyü kesmenin yollarını geliştirdiler. Ses dalgalarını önlemek için kolları diğer tüm maddelerden yoksun bir vakum içinde tutabilirler. Aynaları titreşimlerden izole etmek için askıya alabilirler. Dış dünyanın gürültüsünü ölçebilir ve aletleri buna göre ayarlayabilirler, tıpkı çok büyük bir gürültü önleyici kulaklık gibi.

Ancak bu yöntemlerin filtreleyemediği bir şey de kuantum fiziğidir. Kusursuz bir boşlukta bile, evrenin en küçük ölçeklerindeki doğal rastlantısallığı -varoluşa girip çıkan parçacıklar- iz bırakır. Cardiff Üniversitesi'nde astrofizikçi olan ve LIGO-Virgo işbirliğinin bir üyesi olan ancak yeni çalışmanın yazarlarından biri olmayan Patrick Sutton, "Ölçüm seviyenizde zayıf bir kütleçekim dalgası sinyalini maskeleyebilecek doğal bir dalgalanma var" diyor.

LIGO 2016 yılında ilk kez doğrulanmış kütleçekim dalgalarını tespit etti. Aynı dönemde, operatörleri kuantum bozukluklarını ayıklamanın yollarını düşünüyorlardı. Fizikçiler ışığı bir kristal içine hapsedip "sıkıştırarak" manipüle edebilirler. Gözlemevinin 2019'da başlayan üçüncü tur tespitleri için her iki LIGO dedektörüne de böyle bir kristal yerleştirdiler.

Bu yükseltme LIGO'nun daha yüksek frekanslı lazer ışığıyla çalışabilmesini sağladı. Ancak ışığı bu şekilde sıkıştırmanın bir bedeli vardı: daha düşük frekanslı ışığın okunmasını zorlaştırmak. Bu sorunlu bir durum, çünkü kara delik birleşmeleri gibi tespit edebildiğimiz olaylardan gelen kütleçekim dalgaları LIGO'da oldukça düşük frekanslı ışık üretme eğilimindedir.

Bu nedenle, COVID-19 LIGO'yu 2020'nin ortalarında kapanmaya zorladıktan sonra, operatörleri sıkma düzeneklerine yeni bir oda ekledi. Bu oda, ışığın farklı özelliklerini farklı frekanslarda manipüle ederek daha uyarlanabilir bir yaklaşıma izin veriyor. Bunu yapmak için, odanın ışığı 3 milisaniye boyunca hapsetmesi gerekiyor - ışığın yüzlerce mil yol kat etmesi için yeterli bir süre. Oda, LIGO'nun dördüncü, mevcut gözlem çalışması bu yılın başlarında devreye girdiğinde çalışmaya başladı.

McCuller, "Bunun işini yapan ve sıkıştırmayı iyileştiren, ancak yeni gürültü getirmeyen bir yükseltme olması için çok fazla mühendislik ve tasarım çalışması ve dikkatli düşünme gerekti" diyor.

LIGO'nun her iki dedektörü de artık evrenin daha derinlerinden ve uzayın daha geniş bir alanından gelen kütleçekim dalgalarını algılayabiliyor. Sutton'a göre LIGO artık yaklaşık yüzde 60 ila 70 daha fazla olay duyuyor. Daha iyi hassasiyet aynı zamanda gökbilimcilerin kütleçekim dalgalarını büyük ölçüde artan bir hassasiyetle ölçmelerine olanak tanıyarak genel görelilik teorisini test etmelerini sağlıyor. Sutton, "Bu önemli bir sıçrama" diyor.

LIGO'nun Avrupa'daki diğer dedektörü Virgo, bilim insanlarının kendi araştırmalarına dayanarak aynı frekansa bağlı sıkıştırmayı uyguluyor. McCuller, "Şu anda bunu geliştirebilecek başka bir teknik bilmiyoruz" diyor. "Yeni teknikler açısından, şu anda nasıl kullanacağımızı bildiğimiz en iyi teknik bu."

Şimdiye kadar gördüğümüz tüm kütleçekimsel dalga olayları iki kara deliğin ya da iki nötron yıldızının ortaya çıkmasından kaynaklanıyordu: eşit derecede şiddetli sıçramalar bırakan gürültülü, şiddetli olaylar. Ancak yerçekimsel dalga dinleyicileri süpernovalar, gama ışını patlamaları ve pulsarlar gibi diğer olayları da dinlemek için yerçekimsel dalgaları kullanmak istiyorlar. Henüz tam olarak o noktada değiliz, ancak sıkıştırma, elimizdeki donanımdan tam olarak yararlanmamızı sağlayarak bizi daha da yaklaştırabilir.

Sutton, "Buradaki anahtar, dedektörleri daha da hassas hale getirmektir - bu gürültüyü aşağı, aşağı ve aşağı çekmek - sonunda bazılarını görmeye başlayana kadar" diyor. "Bence bunlar çok heyecan verici günler olacak."

Kaynak: popsci.com